E-航海下的海上安全通信保障研究

2018-04-12云泽雨

数字通信世界 2018年3期

云泽雨

（北海航海保障中心天津通信中心，天津　300456）

1　引言

随着世界航运经济发展和现代船舶及船舶助导航技术发展，对如何有效整合各种助导航工具、提高船舶航行安全和船岸之间管理效率提出了更高的要求。E-航海概念应运而生。E-航海概念于2005年被提出，2006年得到IMO（国际海事组织）的正式确认。E-航海是指通过电子的方式，对船上、岸上的海事信息进行协调一致的收集、整合、交换、显示及分析，以增强船舶泊位到泊位的航行能力及其他相关服务，提高海上安全和安保水平，并保护海洋环境。在此背景下我国现有的海上无线电通信体系今后向何处发展，这是主管部门需要明确的问题，也是业界普遍关心的问题。结合未来发展方向，同时符合国际规则，又适应我国国情和实际需求的发展规划，研究海上安全通信的发展方式和发展方式显得尤为重要。

2　我国海上安全通信发展概况

我国当前的海上安全通信业务主要是通过建设在沿海的多座海岸电台承担和完成的。海岸电台作为保障国家海上安全和为航海界提供信息服务的重要手段，主要职责是履行海上遇险安全值守和搜救协调通信、安全信息播发等任务。

我国现有的海上通信系统是建立在IMO倡导的全球海上遇险与安全系统（以下称GMDSS）的基础上，通过我国GMDSS工程的实施，初步形成了海事卫星、搜救卫星、地面无线电系统、海上安全信息播发系统、船舶报告系统和陆上搜救协调通信网等多层次，具有不同工作方式，可覆盖远洋、近洋和沿海不同海域的海上安全通信体系。能够支持遇险船舶的告警接收，能够迅速对遇险船舶进行识别、定位，能够提供陆地与现场救助单位之间的协调和救助通信，能够播发海上安全信息。

3　E-航海的发展及通信需求

3.1　E-航海的发展历程

在航海领域，各类船载硬件系统变得越来越多，它们有的功能存在重复，有的分布于不同的显示界面，给用户信息混淆和操作负担。在海事管理方面，船、岸信息的交互和共享还存在很大的改进和提高空间，对船舶动态信息的实时化、多元化信息采集渠道还未完全建立，海事管理机构的精细化、定制化交通管理服务还未完全形成。在航海保障方面，航标、测绘、通信在服务的标准化、便捷化、多样化方面均有发展空间，许多正在发展中的技术和产品，亟待一个组织或框架去规范它们。

因此，2005年12月，IMO根据有关提案，决定开展E-航海（e-navigation）相关研究，从此在国际上拉开了E-航海研究的序幕。

在2006年5月国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）第81次会议上IALA（国际航标协会）阐述了E-航海的具体概念，并得到IMO的认可。

在IMO的主导下，在IALA等相关国际组织、机构及有关国家的共同努力下，国际海事界已经完成了用户需求调研和差距分析，确定了E-航海潜在解决方案，完成了E-航海技术架构方面的设计，提出了未来通信系统解决方案，明确了E-航海信息标准，制定了战略发展实施计划。这些成果为建立E-航海测试系统和E-航海下一步发展奠定了基础。

从2010年开始，国际上陆续建立了E-航海测试系统，这些测试系统对验证E-航海的一系列研究成果、确定E-航海下一步实施方案发挥了重要作用。

3.2　E-航海的技术架构

E-航海系统技术架构相关技术是E-航海的技术难点，也是E-航海委员会研究重点之一。所谓E-航海系统架构，是指对E-航海各个组成部分、各组成部分的功能、各组成部分之间信息传输、共享以及各组成部分相互调用关系的规定和描述，是关于E-航海系统的重要的、基础性的技术标准。

2009年，IALA发布了《关于E-航海岸基总体技术架构的建议E-航海140》，对E-航海通用技术架构进行了描述。根据该文件，E-航海的总体技术架构可以用图1的形式进行描述：

从图1中可以看出，通信系统的主要任务负责岸-船、船-岸、船-船、岸-岸之间通信，是e-Navigation的基础设施，起到基础性的关键作用。

图1　E-航海总体技术架构简图

3.3　目前我国海上安全通信手段

目前我国海上安全通信业务主要分为高频业务、中频业务、甚高频业务构成的地面通信系统和由INMARSAT和COSPAS/SARSAT构成的卫星通信系统。

地面通信系统主要开放的业务频段包含高频、中频、甚高频频段。其业务种类和站台数量如表1 所示：

表1　地面通信业务

卫星通信系统方面我国现有海事卫星地面站与国际海事卫星系统联网运行，提供标准岸站业务，另建有北京搜救卫星终端站和任务控制中心，系统与国际搜救卫星系统联网全功能运行。

随着手机通信技术和无线宽带技术的发展，在港口以及进港航道等近岸区域，类似于Wi-Fi、WiMax、3G以及4G移动通信技术也得到了广泛应用。

3.4　E-航海的通信需求和差距分析

在E-航海框架下，通信系统将主要包括语音通信和数据通信两大部分，而且通信范围应该覆盖从港内到外海、甚至极地地区等区域。由于存在着海上安全信息（MSI）以及诸如电子海图更新数据、船舶动态数据等其他船-船、船-岸数字通信内容，因此在E-航海框架下的通信向着数字化、带宽高、覆盖广、成本低等方向发展，以此来支持E-航海的数据交换需求。结合当前的海上通信现状及未来的发展形势分析，目前在国内海上通信业务中，传统语音业务正进一步缩减，数据业务针对传统语音业务的替代性进一步增强。当前海上安全通信的带宽和速率方面有一定的局限性，开展高速、高带宽的海上通信业务将是适应E-航海发展的必由途径。因此，在E-航海的总体框架下，需要研发和引入新的通信系统，以支撑E-航海的发展。

4　E-航海下的海上安全通信技术

4.1　VDES

随着对AIS系统在VHF频段通信需求的增加，AIS系统的可使用频段内已经非常拥挤，在许多繁忙港口已经达到对频段50%以上的占用率，IALA 提出当AIS数据链路负载超过50%时，将会导致信息阻塞等严重问题的发生，影响航行安全。

针对AIS系统需要解决的问题，ITU、IALA 和IMO积极响应，分别从频点、应用和规则层面对现有AIS系统进行“升级”的可行性进行研究，并在2013年由IALA首次提出了VDES的概念。

相比于AIS系统，VDES系统的通信链路更加丰富，且在原来广播信道基础上增加了VDE的通信信道，不仅如此，VDES系统还在设计之初就考虑了地面与卫星两大系统，在系统设计和兼容性分析等多个角度做了大量技术研究工作。从2013年至今，VDES系统设计在IALA和ITU的牵头努力下，各国在这样的框架下进行了长时间的讨论和修改，并最终确定了VDES系统技术特性的最初版本。

2015年对于VDES应用领域的认识和描述也逐渐确立，主要包括极地通信、全球天气预报、全球甚高频交通设备（VHF Traffic Service）、全球海事遇险和安全系统的现代化等方面。

法国在2014年提出了VDES系统未来的发展规划，该规划跨度10年，从2014年至2023年。其中包含了两大层面的运作，规则层和实施层。

在规则层，IMO、IALA和ITU三大组织的各项会议和E-航海、GMDSS现代化进程将成为整个系统的关键，其中IMO的组织机构中包括海上安全委员会（MSC）和导航、通信和搜救小组委员会（NCSR），MSC是组织的最高技术机构，由所有成员国组成。实施层面主要包括AIS和ASM收发信机的原理样机研制、仿真、外场测试、实验星的技术开发与发射验证以及相关标准的制定。

鉴于VDES与AIS的最大区别，VDES的卫星下行信道并没有采用扩频等多址方式，原则上VDES 全球卫星系统只能有一套。为了有机会参与即将到来的海事数据移动通信新应用领域，我国需要把握研究时间，在以下方面开展工作：VDES卫星星座规划；应用场景与应用模式研究；AIS+ASM以及地面VDE原理样机的研制与测试；开发符合国际标准的船台设备。

无论从建设海事强国的战略目标出发，还是从卫星产业新应用的发展需求出发，我们都需要把握这个海事移动通信系统的建设中难得出现的新机遇。将VDES作为海上安全通信保障架构中重要的组成部分，使其成为海上安全通信保障的一个重要手段。

4.2　NAVDAT

随着GMDSS现代化复审的不断深入，作为GMDS S中主要承担安全信息播发系统的NAVTEX，由于数据传输速率低、功能单一等缺点，制约了其在新环境下的应用。2012年ITU发布了工作在500KHz频带的中频海上移动服务数字广播系统NAVDAT，播发由岸到船的与海上安全相关信息的技术建议书。

NAVDAT是一种新型的岸基海上数字广播系统，它采用最新数字传输技术，在500kHz上播发海上安全信息和其他服务信息。NAVDAT通过播发消息、文本、文件或图像，实现海图改正信息等航行相关安全信息的快速推送，并实现与船舶信息系统的无缝连接。NAVDAT系统通过联网播发，还可实现A2海区的覆盖。因此，NAVDAT可增强海事信息业务能力，是GMDSS现代化和E-航海中的关键系统。

NAVDAT采用了一种类似于NAVTEX的时隙分配方式，便于IMO以相同的方式进行协调。其也可以以单频网络的方式工作。

无论采用何种播发方式，NAVDAT都会提供广播、选择性播发、特定播发等三种不同的播发模式。此外，NAVDAT还提供对于任意种类的岸到船信息的加密广播服务。由于NAVDAT采用了数字编解码技术，使得在10KHz带宽的频道上，数据传输速率高达15-25kb/s，是NAVTEX系统的300倍。正是NAVDAT 高速的数据传输能力，使得它扩大了安全信息的播发范围，能够播发诸如海图，气象云图，数据等等。NAVDAT能够以友好的交互方式在接收端显示，并能够将信息整合至导航设备（ECDIS、INS）。

NAVDAT系统是GMDSS现代化和E-航海中的关键系统，是海事信息播发上的一次数字化革命，将增强海事信息服务能力。GMDSS现代化尚处于论证和设计阶段，我国应抓住这一机会，加快技术研究和系统研制，进行实验和测试验证，形成符合国际标准框架的NAVDAT信息播发和接收的国内技术标准，将NAVDAT作为海上安全通信保障架构中重要的组成部分。

4.3　北斗导航系统

北斗导航系统是覆盖中国本土的区域导航系统，覆盖范围东经约70°～140°，北纬5°～55°。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖，根据系统建设总体规划，系统将具备定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

北斗RDSS特有的短报文功能在交通运输、救灾减灾、海洋渔业、水文监测、气象测报、森林防火、通信时统、电力调度和国家安全等领域也得到广泛应用。

北斗集多种应用功能于一身，定位、授时、通信作为满足船舶需要的必备功能，对保障船舶安全具有无可替代的作用。北斗的应用，能够与船舶现有的传统无线电设备、GPS、海事卫星设备形成有益补充，弥补了上述设备在收发距离、缺少通信功能、通信成本过高等方面的不足，其在我国沿海船舶中的普及率必将继续增长。

相对传统海上安全通信方式，北斗以卡识别用户，只要在北斗的服务范围内都能接收信息，可实现一次播发，全面覆盖，无需多次重复播发；卡号资源是唯一的资源，不存在大量用户使用情况下的干扰问题，保障了通信质量。

北斗系统在安全信息播发业务中的应用，将有效提高安全信息播发覆盖范围，提升播发效率，是拓宽水上通信服务渠道的有效手段。北斗导航系统在航海保障领域尤其是北方海区具有广泛的应用前景，北斗系统及其相关技术产品在辖区的推广应用，是提升航海保障能力的有益尝试，是响应国家发展需要的必然举措，是服务地方经济发展和维护航行安全的重要手段。

基于北斗系统的海上安全信息播发和遇险报告技术的研究、应用及推广将有效的弥补传统通信方式的不足，为此建议将北斗系统技术作为海上安全通信保障的架构重要一环，更好地满足E-航海的发展需要。

4.4　高频电子邮件和数据交换技术系统

根据GMDSS高级复审阶段的研究和E-航海对数据通信框架研究，未来海上安全通信业务需要高频频段数据交换系统。近几年，国际上也推出了几种高频段的数据交换和电子邮件系统，进行小范围使用。

为了推动开展水上高频数字业务，ITU在2012 年世界无线电大会上对《无线电规则》附录17进行修订，规定了水上数字业务使用频率；ITU还制定了水上高频数字业务的技术建议书M.1798《水上移动业务中用于交换数字数据和电子邮件的高频无线电设备的特性》。

图2是M.1798技术建议书中所附的高频数据交换系统图，系统由一个网络控制中心NCC和若干收发信基站CRS组成。系统在互联网环境下工作，收发信基站可以根据需要布设在相应位置。

5　E-航海下的海上安全通信技术架构

在E-航海不断推进的进程中，通信作为重要一环，研究认为构建海上安全通信保障系统架构应遵循IALA和IMO在E-航海方面的相关研究及系统架构的设计，同时又符合我国在E-航海发展进程中做的相关路线研究及技术研究以及相关应用的研究和开发的实际情况。

从支持未来E-航海需求和GMDSS现代化新兴业务考虑，我国海岸电台有必要整合现有的业务服务系统，升级或更换现有设备，简化设备操作程序，形成高效、有序、统一的数字化业务平台，提升海上安全通信岸基系统的运行保障能力。

图2　高频数据交换系统图

图3　通用业务服务架构

E-航海环境下的海岸电台，要遵循IMO推荐的通用岸基系统架构，不仅承担安全通信任务，还应按照通信信息一体化原则，充分利用现有设备分阶段、分步骤进行数字化和网络化改造，改变以往“竖井式”的业务开展模式，构建与底层设备无关的通用业务服务架构，如图3所示。能在不改变现有网络结构的基础上，方便灵活地引入各类新增业务，实现原有业务与E-航海数字业务并存，最终向全数字业务过渡。

海上安全通信保障系统架构应以现有的通信方式为基础，同时跟进GMDSS现代化发展不断完成通信设施的数字化改造，以VDES、NAVDAT和北斗系统为基本架构，关注E-航海的研究发展形势，加快新技术新产品的研究，从而构建一套完整的有效的海上安全通信保障系统。